砂浆中砂粒粒径与超声特性的相关性研究：基于超声技术的综合分析

本研究针对砂浆材料性能优化需求，通过1 MHz超声换能器系统探究砂粒粒径(0.3-0.7 mm)对超声参数的非线性影响，发现粒径为0.315 mm时超声速度降至3100 m/s，而0.7 mm时升至3700 m/s，揭示了粒径对传输系数和声阻抗的关键调控作用，为建筑工程材料无损检测(NDT)和耐久性提升提供新见解。

　　

在建筑工程领域，砂浆作为水泥基复合材料的关键组分，其耐久性和力学性能直接影响结构安全。然而，传统材料评估方法存在破坏性大、效率低等问题，且砂粒粒径对材料声学特性的影响机制尚未明确。当前研究面临两大挑战：一是缺乏对砂粒尺寸与超声参数相关性的系统研究；二是现有无损检测技术(NDT)在水泥基材料中的应用精度有待提升。

针对这些问题，来自摩洛哥的研究团队在《Results in Materials》发表了创新性研究。该团队采用1 MHz超声换能器，通过反射法和透射法双重技术路线，系统分析了7种粒径(0.180-0.710 mm)砂粒制备的CEM II型水泥砂浆样本。研究发现砂粒粒径与超声特性存在显著非线性关系：当粒径为0.315 mm时出现异常现象，超声速度骤降至3100 m/s，而粒径增至0.7 mm时速度回升至3700 m/s。这种"V型"变化规律揭示了材料内部存在临界粒径阈值，直接影响声波传播路径和能量耗散。

关键技术方法包括：

1. 多频超声检测系统：采用Panametrics V309换能器(1 MHz)结合水浸法，通过反射/透射信号分析获取声学参数
2. 频散曲线分析：基于快速傅里叶变换(FFT)计算传输系数T(f)，建立粒径-声学特性关联模型
3. 阻抗匹配技术：运用Snell-Descartes定律测定临界角，计算纵向波速(V_L
   )和剪切波速(V_S
   )
4. 水置换法：精确测量不同粒径砂浆样本的密度参数

研究结果揭示：

1. 超声速度的非线性演变：如Fig.5所示，速度在0.315 mm处出现明显凹陷，表明该粒径可能引发特殊的散射效应。当粒径超过0.45 mm后，速度呈单调上升趋势，这与材料密实度改善直接相关。
2. 传输系数的粒径依赖性：Fig.6显示计算值与实测值存在15%差异，尤其在0.6 mm粒径时传输系数达峰值0.77，说明特定粒径可优化声能传递效率。
3. 密度与阻抗的异常响应：如Fig.7-8所示，0.315 mm样本的计算密度异常升高200%，而实测值保持稳定约2000 kg/m³
   ，反映理论模型在该临界点的适用性局限。
4. 波速模式的差异性：Fig.9证实纵向波速(V_L
   )与常规超声速度趋势一致(最大偏差9.72%)，而剪切波速(V_S
   )呈现更复杂的"下降-上升-下降"波动，表明剪切波对微观结构变化更敏感。

讨论部分指出，0.315 mm粒径可能对应砂浆内部孔隙结构的相变点，此时砂粒排列方式导致声波多重散射加剧。研究创新性地验证了常规超声检测(NDT)与斜入射方法的数据一致性，为工程现场检测提供简便方案。通过建立粒径-声学参数数据库，该成果可直接指导优化砂浆配比：选择0.45-0.6 mm砂粒可同步提升材料强度(声速↑)和韧性(剪切波速↑)。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了砂粒粒径对水泥基材料声学特性的调控规律，开发出基于临界粒径选择的材料优化策略。所建立的非破坏性评估方法，为桥梁、隧道等关键结构的健康监测提供新工具。未来结合微观成像技术，可进一步揭示声波-颗粒相互作用机制，推动智能建筑材料的发展。